商琳，劉曉涵，吳海濤，馬曉麗，鄒娟

(1.中國(guó)石油冀東油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北唐山 063004; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，武漢 430074)

基于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的復(fù)雜斷塊油藏低級(jí)序斷層預(yù)測(cè)
——以南堡凹陷M區(qū)為例

商琳1，劉曉涵2，吳海濤1，馬曉麗1，鄒娟1

(1.中國(guó)石油冀東油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北唐山 063004; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，武漢 430074)

針對(duì)低級(jí)序斷層地震資料的多解性，通過(guò)構(gòu)造解析，在確定低級(jí)序斷層發(fā)育時(shí)期和構(gòu)造背景的基礎(chǔ)上，對(duì)南堡凹陷M區(qū)館陶期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬;并以巖石破裂準(zhǔn)則為依據(jù)，用最小主應(yīng)力解釋了低級(jí)序斷層的優(yōu)勢(shì)發(fā)育地區(qū)，用平面剪應(yīng)力解釋了低級(jí)序斷層的優(yōu)勢(shì)走向，用剖面剪應(yīng)力解釋了低級(jí)序斷層的優(yōu)勢(shì)視傾向，預(yù)測(cè)了低級(jí)序斷層的發(fā)育規(guī)律。研究結(jié)果表明，南堡凹陷M區(qū)三級(jí)斷層活動(dòng)具有明顯的分段性和分期性特點(diǎn);在區(qū)域性南北向拉張和火山噴發(fā)造成的局部拱升的共同作用下，研究區(qū)中部為東一段低級(jí)序斷層發(fā)育的優(yōu)勢(shì)區(qū)，發(fā)育近北西走向和近北東走向兩組低級(jí)序斷層，東部主要發(fā)育一組近北東走向的低級(jí)序斷層，西部主要發(fā)育一組近北西走向低級(jí)序斷層，斷層視傾向以北傾為主。

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng);復(fù)雜斷塊;低級(jí)序斷層;南堡凹陷

0 引言

南堡凹陷斷層組合樣式多樣，應(yīng)力場(chǎng)多變，屬于典型的復(fù)雜斷塊油田。低級(jí)序斷層的精細(xì)識(shí)別對(duì)南堡油田精細(xì)開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，但南堡油田現(xiàn)有地震資料品質(zhì)低，地震識(shí)別低級(jí)序斷層的難度大。加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)測(cè)研究，指導(dǎo)地震解釋是提高低級(jí)序斷層識(shí)別能力的有效途徑［1］。地震、測(cè)井、重力等方法在斷層識(shí)別方面存在多解性，對(duì)微小斷層識(shí)別存在一定困難，多限于解釋斷層的平面展布，而且無(wú)法從動(dòng)力學(xué)機(jī)制上解釋斷層。長(zhǎng)期以來(lái)由于對(duì)南堡凹陷內(nèi)部斷層的形成時(shí)期及發(fā)育歷史認(rèn)識(shí)不清，直接影響了含油斷塊的落實(shí)程度。斷裂構(gòu)造的破裂和活動(dòng)方向受形成該破裂時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的制約，因此通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)模擬可以彌補(bǔ)上述缺陷，進(jìn)而從動(dòng)力學(xué)機(jī)制上解釋低級(jí)序斷層的發(fā)育、空間展布特征。

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬方法在建立地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，用有限元法計(jì)算各點(diǎn)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力以及各點(diǎn)的主應(yīng)力方向與剪應(yīng)力方向［2］，根據(jù)巖石的破裂準(zhǔn)則預(yù)測(cè)低級(jí)序斷層的有利發(fā)育區(qū)和優(yōu)勢(shì)走向。本文以南堡凹陷M區(qū)東一段為例，對(duì)低級(jí)序斷層主要發(fā)育期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以明確斷層的成因機(jī)制，預(yù)測(cè)低級(jí)序斷層的發(fā)育規(guī)律，用于指導(dǎo)低級(jí)序斷層的構(gòu)造解釋。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

南堡M區(qū)位于南堡構(gòu)造帶西部，為奧陶系潛山基底上發(fā)育起來(lái)的背斜構(gòu)造，被北東向南堡A斷層及多條近東西向斷層切割。南堡A斷層平面上呈“帚狀”，上升盤(pán)為較簡(jiǎn)單的鼻狀構(gòu)造，傾向北西;下降盤(pán)構(gòu)造較為復(fù)雜，地層以東傾為主，被北東向、近東西向兩組斷層切割。南堡M區(qū)位于南堡A斷層的下降盤(pán)，為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)造單元，是一個(gè)被斷層復(fù)雜化的背斜構(gòu)造［3～4］。本文為了明確南堡M區(qū)構(gòu)造成因，根據(jù)斷層生長(zhǎng)指數(shù)，分析了南堡M區(qū)主要斷層的活動(dòng)特征，包括南堡A斷層以及F1—F5斷層(見(jiàn)圖1)。其中南堡A斷層為控制整個(gè)南堡M區(qū)的一條二級(jí)斷層;F1—F5斷層為分割斷塊區(qū)的斷層，屬于三級(jí)斷層。

圖1 南堡M區(qū)東一段斷層分布圖Fig.1 Fault distribution of E d1in M area of Nanpu sag

2 斷層特征及演化

2.1 南堡A斷層

南堡A斷層是南堡M區(qū)的主控?cái)鄬樱悄媳ぐ枷輧?nèi)主要的二級(jí)斷層，控制了南堡M區(qū)的形成和演化。斷層走向近北東，延伸21.8 km，傾向南東，傾角70°—80°;斷層斷至奧陶系潛山基底，館陶組底界斷距300～430 m，明化鎮(zhèn)組底界斷距大于200 m，斷距自西南向北東方向逐漸減小。明化鎮(zhèn)組、館陶組和沙河街組沉積時(shí)期為南堡1號(hào)斷層的主要活動(dòng)時(shí)期，對(duì)沙河街組沉積具有明顯的控制作用。南堡A斷層還具有明顯的右旋活動(dòng)分量，是典型的張扭性斷層［5］。

2.2 三級(jí)斷層

由南堡M區(qū)主要斷層活動(dòng)性分析可知，南堡M區(qū)三級(jí)斷層具有分段性和分期性特征，不同時(shí)期斷層活動(dòng)性差異明顯，同一時(shí)期同一斷層的不同部位活動(dòng)性明顯不同。以F1斷層為例，F(xiàn)1斷層為近東西走向，下部斷至沙河街組，被F5斷層所截。館四段沉積時(shí)期F1斷層開(kāi)始發(fā)育，館三段沉積時(shí)期斷層活動(dòng)性達(dá)到最強(qiáng)，館二段、館一段沉積時(shí)期斷層活動(dòng)性減弱，明化鎮(zhèn)組沉積早中期又開(kāi)始活動(dòng)，明化鎮(zhèn)組沉積末期活動(dòng)性再次減弱(見(jiàn)圖2a)。以inline869測(cè)線、inline973測(cè)線為界，根據(jù)其斷距大小可以劃分為西段、中段和東段(見(jiàn)圖1)，中段斷距大，向東西兩端斷距縮小。F2—F5斷層具有相似的活動(dòng)特征(見(jiàn)圖2)，在此不另加論述。

圖2 南堡M區(qū)三級(jí)斷層活動(dòng)強(qiáng)度圖Fig.2 Activity of the third-order faults in M area of Nanpu sag

綜合來(lái)看，南堡M區(qū)三級(jí)斷層主要發(fā)育期為沙河街組沉積時(shí)期至東營(yíng)組沉積早期，東營(yíng)組沉積中晚期斷層活動(dòng)性減弱甚至基本停止活動(dòng);館陶組沉積早期開(kāi)始復(fù)活，館三段沉積時(shí)期斷層活動(dòng)性達(dá)到最強(qiáng)，并派生大量低級(jí)序斷層，館陶組沉積晚期活動(dòng)性逐漸減弱;明化鎮(zhèn)組沉積早中期又復(fù)活，明化鎮(zhèn)組沉積末期斷層基本停止活動(dòng)。

3 斷層成因機(jī)制分析

各種地質(zhì)構(gòu)造的形成演化與巖石的力學(xué)性質(zhì)和所處的應(yīng)力狀態(tài)是分不開(kāi)的［6］。南堡A斷層在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的控制下形成，南堡M區(qū)三級(jí)斷層及低級(jí)序斷層的形成演化必與南堡A斷層控制下的局部應(yīng)力場(chǎng)分布有著密切聯(lián)系。通過(guò)構(gòu)造解析認(rèn)為東一段的低級(jí)序斷層主要在館陶組沉積時(shí)期發(fā)育，為確定東一段三級(jí)斷層及低級(jí)序斷層的成因機(jī)制與分布規(guī)律，就需要了解在南堡A斷層先存條件下館陶組沉積時(shí)期應(yīng)力場(chǎng)分布特征，并根據(jù)巖石的破裂準(zhǔn)則預(yù)測(cè)斷層的發(fā)育規(guī)律。本文采用應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬方法建立古地質(zhì)模型，通過(guò)合理的約束及加載，模擬在南堡A斷層存在的條件下南堡M區(qū)館陶組沉積時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，從而對(duì)區(qū)內(nèi)三級(jí)斷層及低級(jí)序斷層的形成給出一個(gè)合理的解釋并進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

應(yīng)力場(chǎng)模擬主要采用有限單元法，基本思路是將一個(gè)地質(zhì)體離散成有限個(gè)連續(xù)的單元，單元之間以節(jié)點(diǎn)相連，每個(gè)單元內(nèi)賦予其實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù)，根據(jù)邊界受力條件和節(jié)點(diǎn)平衡條件，通過(guò)插值函數(shù)分別求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的位移，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變值［7］。

南堡M區(qū)在館陶期處于拗陷階段，主要受到近南北向拉張［5，8～9］，同時(shí)由于館陶組沉積時(shí)期火山活動(dòng)頻繁［10～11］，對(duì)東一段存在局部拱升作用，由此認(rèn)為斷層發(fā)育的動(dòng)力學(xué)機(jī)制為在南堡A斷層先存基礎(chǔ)上區(qū)域性南北向拉張和火山噴發(fā)造成局部拱升的共同作用。因此在模型南北邊界施加拉張應(yīng)力的同時(shí)，于東一段模型底部施加一定的上拱力。通過(guò)構(gòu)造解析確定古應(yīng)力場(chǎng)方向及斷裂演化過(guò)程之后就可以創(chuàng)建地質(zhì)模型［12～13］。由于南堡M區(qū)東一段厚度變化不大，因而可以將研究區(qū)簡(jiǎn)化為一平板模型，根據(jù)南堡A斷層的形態(tài)建立斷層模型。

根據(jù)斷裂帶與地層中巖石強(qiáng)度的差異，為應(yīng)力場(chǎng)模擬的不同區(qū)塊分別賦以不同的力學(xué)參數(shù)，參數(shù)大小的確定參照部分實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果(見(jiàn)表1)［14］。在建立地質(zhì)模型及確定各項(xiàng)巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，即可按照古應(yīng)力場(chǎng)的方向?qū)δＰ瓦M(jìn)行加載求解，通過(guò)反復(fù)加載以尋求變形結(jié)果最接近于現(xiàn)今構(gòu)造的方式來(lái)確定古應(yīng)力狀態(tài)，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3—圖5。

表1 南堡M區(qū)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of M area in Nanpu sag

3.2 古應(yīng)力場(chǎng)控制下三級(jí)斷層發(fā)育規(guī)律

根據(jù)南堡M區(qū)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，分析三級(jí)斷層的發(fā)育規(guī)律。巖石破裂的條件是巖石所受張應(yīng)力超過(guò)其抗張強(qiáng)度或巖石所受剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度［15］，由此認(rèn)為影響南堡M區(qū)三級(jí)斷層發(fā)育的主要控制因素是最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力，因而重點(diǎn)從最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布來(lái)探討三級(jí)斷層的成因。南堡M區(qū)最小主應(yīng)力以張應(yīng)力為主(正值代表張應(yīng)力)，局部出現(xiàn)壓應(yīng)力，不同區(qū)域應(yīng)力大小差異明顯，呈不均勻分布，張應(yīng)力高值區(qū)恰好對(duì)應(yīng)著三級(jí)斷層主要發(fā)育區(qū)(見(jiàn)圖3)，表明最小主應(yīng)力控制了三級(jí)斷層發(fā)育的位置和密集程度。

南堡M區(qū)剪應(yīng)力分布具有明顯的分區(qū)性，南堡A斷層南東盤(pán)以左旋剪應(yīng)力為主(正值代表左旋)，而在M區(qū)東部遠(yuǎn)離南堡A斷層區(qū)域以右旋剪應(yīng)力為主。根據(jù)應(yīng)變橢圓分析，在南北向拉張條件下容易產(chǎn)生圖示兩組剪切作用力，受剪應(yīng)力作用形成了南堡M區(qū)的共軛斷裂體系。其中，南堡A斷層南東盤(pán)為左旋剪應(yīng)力，在此剪應(yīng)力作用下主要發(fā)育一組北西走向斷層;東部遠(yuǎn)離南堡A斷層區(qū)域?yàn)橛倚魬?yīng)力，在此剪應(yīng)力作用下主要發(fā)育一組北東走向斷層;中部為剪應(yīng)力分布的過(guò)渡區(qū)域，剪應(yīng)力旋向變化較快，因此這一區(qū)域北西走向斷層和北東走向斷層發(fā)育程度相當(dāng)(見(jiàn)圖4)。這與南堡M區(qū)構(gòu)造解釋的三級(jí)斷層平面展布規(guī)律基本一致，由此說(shuō)明剪應(yīng)力的分布控制著三級(jí)斷層的平面展布規(guī)律。

圖3 南堡M區(qū)最小主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Theminimum principal stress of M area in Nanpu sag

圖4 南堡M區(qū)平面剪應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 The plane shear stress of M area in Nanpu sag

4 低級(jí)序斷層發(fā)育規(guī)律預(yù)測(cè)

4.1 平面展布規(guī)律預(yù)測(cè)

圖5 南堡M區(qū)剖面剪應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 The vertical shear stress of M area in Nanpu sag

根據(jù)格里菲斯破裂理論，當(dāng)張應(yīng)力超過(guò)巖石的抗張強(qiáng)度時(shí)，巖石就會(huì)張性破裂形成正斷層，張應(yīng)力越大，巖石的張性破裂程度越強(qiáng)，正斷層的發(fā)育程度也越強(qiáng)［16］。南堡M區(qū)東一段在館陶期最小主應(yīng)力以張應(yīng)力為主，具有形成正斷層的應(yīng)力條件。張應(yīng)力高值區(qū)位于研究區(qū)中部，屬于低級(jí)序斷層的優(yōu)勢(shì)發(fā)育部位，向周?chē)鷱垜?yīng)力數(shù)值減小，斷層發(fā)育程度減弱。根據(jù)最小主應(yīng)力分布特征將南堡M區(qū)低級(jí)序斷層發(fā)育程度劃分為4個(gè)等級(jí)(見(jiàn)圖6)。受平面剪應(yīng)力分布的控制，兩組斷層的發(fā)育程度通常不同，左旋平面剪應(yīng)力環(huán)境中具有左旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高，而在右旋平面剪應(yīng)力環(huán)境中具右旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高［17～18］。由此預(yù)測(cè)南堡A斷層南東盤(pán)容易派生近北西走向低級(jí)序斷層，東部主要發(fā)育近北東走向低級(jí)序斷層，中部?jī)山M走向斷層發(fā)育程度相當(dāng)。

4.2 剖面發(fā)育規(guī)律預(yù)測(cè)

剖面上低級(jí)序斷層發(fā)育規(guī)律的預(yù)測(cè)主要通過(guò)對(duì)剖面上剪應(yīng)力的分布及剖面應(yīng)變橢圓的分析來(lái)進(jìn)行［19］。南堡M區(qū)南北向剖面剪應(yīng)力主要為左旋(見(jiàn)圖5，正值代表左旋)，根據(jù)剖面應(yīng)變橢圓分析，該剪應(yīng)力條件下主要發(fā)育視傾向?yàn)楸眱A的低級(jí)序斷層，這與地震解釋情況(見(jiàn)圖7)一致。

綜合最小主應(yīng)力與剪應(yīng)力的分析結(jié)果，南堡M區(qū)低級(jí)序斷層發(fā)育的優(yōu)勢(shì)區(qū)域主要在中部，可以發(fā)育近北西走向和近北東走向兩組低級(jí)序斷層;東部主要發(fā)育一組近北東走向的低級(jí)序斷層;西部靠近南堡A斷層一側(cè)主要發(fā)育一組近北西走向低級(jí)序斷層。這些斷層視傾向都以北傾為主，這與構(gòu)造解析結(jié)果基本一致，說(shuō)明館陶期的最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力共同控制了南堡M區(qū)東一段低級(jí)序斷層的發(fā)育，可以將這一預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)用到低級(jí)序斷層的地震解釋中。

5 結(jié)論

南堡M區(qū)三級(jí)斷層具有分段性和分期性特征，三級(jí)斷層主要發(fā)育期為沙河街組沉積時(shí)期至東營(yíng)組沉積早期，東營(yíng)組沉積中晚期斷層活動(dòng)性減弱甚至基本停止活動(dòng)，館陶組沉積早期開(kāi)始復(fù)活，館三段沉積時(shí)期斷層活動(dòng)性達(dá)到最強(qiáng)，并派生大量低級(jí)序斷層，館陶組沉積晚期活動(dòng)性逐漸減弱，明化鎮(zhèn)沉積早中期又復(fù)活，明化鎮(zhèn)組沉積末期斷層基本停止活動(dòng)。

圖6 南堡M區(qū)東一段低級(jí)序斷層發(fā)育程度預(yù)測(cè)圖Fig.6 The lower order faults forecastmap of E d1in M area of Nanpu sag

圖7 南堡M區(qū)inline849測(cè)線構(gòu)造解釋方案Fig.7 Structural interpretation scheme of inline849 in M area of Nanpu sag

南堡M區(qū)館陶期最小主應(yīng)力以張應(yīng)力為主，局部出現(xiàn)壓應(yīng)力，不同區(qū)域應(yīng)力大小差異明顯，呈不均勻分布，張應(yīng)力高值區(qū)位于中部，向兩側(cè)逐漸減小。南堡A斷層南東盤(pán)以左旋剪應(yīng)力為主，東部遠(yuǎn)離南堡A斷層區(qū)域以右旋剪應(yīng)力為主，中部剪應(yīng)力旋向變化較快，為剪應(yīng)力分布的過(guò)渡區(qū)域。

南堡M區(qū)東一段低級(jí)序斷層的發(fā)育主要受控于最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布。在區(qū)域性南北向拉張與局部火山噴發(fā)造成的局部拱升的共同作用下，南堡M區(qū)低級(jí)序斷層主要在中部發(fā)育，為近北西走向和近北東走向兩組低級(jí)序斷層，東部主要發(fā)育一組近北東走向的低級(jí)序斷層，西部靠近南堡A斷層一側(cè)主要發(fā)育一組近北西走向低級(jí)序斷層，斷層視傾向以北傾為主。

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FORECAST OF LOWER ORDER FAULTS IN COMPLEX FAULT BLOCK RESERVOIRS BY NUMERICAL SIMULATION OF TECTONIC STRESS FIELD:TAK ING M AREA IN NANPU SAG AS AN EXAMPLE

SHANG Lin1，LIU Xiao-han2，WU Hai-tao1，MA Xiao-li1，ZOU Juan1

(1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Jidong Oilfied Company，Tangshan 063004，Hebei，China; 2.School of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

The tectonic stress field of Guantao formation is simulated based on the confirmation of development period and tectonic setting about lower order faults．According to the failure criterion of rock，the favorable development regions of the lower order faults are analyzed through theminor principal stress，the favorable directions are discussed by the plane shear stress，and the tendencies are analyzed by the vertical shear stress．The activity of the third faults in M Area of Nanpu Sag presents obvious segment and generation:Themiddle partof the above studied region is themain region of the lower order faults owing to the coefficient of the regional NSextension and the regional camber stress by paroxysmal eruption，the east part develops a set of nearly NE-trending lower fault，the west part develops a set of nearly NW-trending fault，and the apparent dip mainly presents north tendency．

tectonic stress field;complex fault block;lower order fault;Nanpu sag

P553

A

1006-6616(2016)02-0357-09

2015-12-04

中國(guó)石油冀東油田公司重大項(xiàng)目子課題“巖石力學(xué)特性與地應(yīng)力特征研究”(KF2015A02-01)

商琳(1987-)，男，山東泰安人，博士，主要從事油氣區(qū)構(gòu)造、儲(chǔ)層地應(yīng)力及裂縫預(yù)測(cè)方面的研究工作。E-mail:shanglinsonny@163.com